red butler 2

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MADRID
ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR

PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO DE ACOPLADORES DIRECCIONALES DE
MICROONDAS PARA MATRICES DE BUTLER

INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

Ángel Seco Prieto
Mayo de 2009

DISEÑO DE ACOPLADORES DIRECCIONALES DE
MICROONDAS PARA MATRICES DE BUTLER
AUTOR: Ángel Seco Prieto
TUTOR: Jorge A. Ruiz Cruz

Grupo de Sistemas de Radiocomunicaciones yComunicaciones Ópticas
Dpto. de Ingeniería Informática
Escuela Politécnica Superior
Universidad Autónoma de Madrid
Mayo de 2009

Resumen
El objetivo de este proyecto es el diseño y construcción de una matriz de Butler
para sistemas WiMax a 3.5 GHz. La matriz de Butler es un circuito de microondas
formado por acopladores y desfasadores utilizada habitualmente en redes de conformación
de haz. De hecho,es uno de los componentes clave en un sistema MIMO (Multiple Input
Multiple Output) y se usa para alimentar arrays de antenas.
Para el diseño de la matriz de Butler es necesario desarrollar cada uno de sus componentes,
en especial el acoplador direccional. El acoplador direccional es un dispositivo de
microondas de cuatro puertas (que numeramos 1, 2, 3 y 4). La energía que incide por la
puerta 1se reparte entre la 2 y la 3, quedando la puerta 4 aislada. La puerta 3 suele
llamarse puerta acoplada. La relación entre las potencias incidente y acoplada es el nivel de
acoplo y caracteriza el acoplador. Se pueden utilizar, por ejemplo, para muestrear la
potencia de salida de un amplificador.
Al principio de este proyecto se han diseñado acopladores de líneas acopladas y
acopladores branch-line,de una sección y de varias secciones. Estos acopladores se
estudiaran con el objetivo de elegir la mejor estructura para el diseño final de la matriz de
Butler.
Una vez estudiados los distintos tipos de acopladores, se pasa al diseño y construcción de
acopladores branch-line de una sección y de dos secciones. Se ha elegido la tecnología
microstrip para llevar a cabo su construcción. Las líneasmicrostrip, que se incluyen dentro
de las líneas de transmisión planares, son compactas y suelen tener un bajo coste de
fabricación. Tras medir estos dispositivos con el analizador de redes, se optará por utilizar
el acoplador branch-line de dos secciones para el diseño de la matriz de Butler.
Finalmente hemos diseñado y construido la matriz de Butler. Después se ha medido con el
analizador de redespara comprobar los resultados obtenidos y extraer conclusiones. Los
resultados experimentales han cumplido con las especificaciones que requería el diseño.

Palabras clave
Acopladores de línea acoplada, acopladores branch-line, matriz de Butler, matriz S, matriz
de dispersión, radio frecuencia, microondas, líneas microstrip, líneas stripline.

Abstract
The aim of this project is the design andconstruction of a Butler matrix for WiMax
systems at 3.5 GHz. Some of the traditional beam forming networks are based on the
Butler matrix. This beam forming network is one of the key components in a MIMO
system and is used to feed antenna arrays.
The design of the Butler matrix involves the development of its components, specially, the
directional coupler. The directional coupler is a 4-portmicrowave device (with ports
numbered 1, 2, 3 and 4). The input power at port 1 is divided between 2 and 3, leaving the
port 4 isolated. The port 3 is often called coupled port. The relationship between incident
and coupled power is the coupled level and characterizes the coupler. It can be used, for
example, to sample the amplifier output power.
At first, coupled line couplers and branch-line couplersof a section and several sections
have been designed in this project. These couplers have been studied with the aim of
choosing the best one for the final Butler matrix design.
Once the different types of couplers have been studied, the design and construction of
branch-line couplers of one and two sections are the next steps. Microstrip technology has
been chosen to carry out its construction....